Metodi di ricerca approssimata dello zero di una funzione F(z) = 0 I metodi presentati si basano sui teoremi del calcolo infinitesimale calculus Essi sono tra parentesi i teoremi su cui si basano: • Bisezione corollario di Bolzano-Weierstrass sulle funzioni continue • Della secante corollario di Bolzano-Weierstrass sulle funzioni continue • Della tangente o di Newton derivabilità della funzione • Del punto unito derivabilità della funzione g(x) = f(x) + x ed esistenza di un valore m compreso strettamente tra zero e uno in modo tale da soddisfare |g’(x)| m x [a;b] Metodo di bisezione o dicotomico L’efficacia di tale metodo è garantita dal teorema di Bolzano: “ Sia f(x) una funzione continua su un intervallo chiuso e limitato [a;b], se f(a)f(b) < 0 allora z (a;b) | f(z) = 0 ” . F(x) = f(x) – g(x) • Tracciare i grafici probabili delle funzioni f e g o in alternativa tracciare direttamente il grafico della funzione F(x). • Trovare dei valori interi consecutivi per a e b che soddisfino F(a) F(b)< 0 • La stima iniziale dello zero z è quindi z = ( x0 0 ) , ove x0 è il valore centrale ab dell’intervallo [a;b] : ; 2 L’errore 0 … mentre l’errore è stimato come semiampiezza dell’intervallo in cui cade lo zero: ½ (se a e b sono interi consecutivi) Si valuti ora il segno della funzione F in x0 : ovviamente se F(x0) = 0 , x0 è la soluzione esatta; altrimenti si restringerà l’intervallo di applicazione del corollario di Bolzano all’interno di quell’intervallo, tra i due ottenuti mediante la bisezione sopra effettuata, che ne soddisfa le condizioni di applicabilità. I segni sono della funzione F(x) Se F(x0) F(a) < 0 • allora lo zero è nell’intervallo di sinistra. Dunque si ripeterà la procedura , avendo però sostituito a b il valore x0 : b1 = x0 , a1 = a ; • altrimenti lo zero sarà nel’intervallo di destra. Dunque si ripeterà la procedura, avendo però sostituito ad a il valore x0 : a1 = x0 b1 = b . E’ necessario controllare che l’errore nell’approssimazione rientri in quello ritenuto accettabile (sia esso ) Se la richiesta è di approssimare lo zero alla mesima cifra decimale allora deve essere < 510 –( m+1) . Poiché all’inizio del processo dicotomico l’errore è ½ )e si dimezza ad ogni iterazione) si ha che, all’n-esima iterazione, n 2 ( n 1) Il numero di iterazioni necessarie per soddisfare la richiesta è dato quindi dalla soluzione della disequazione seguente: 2 n 1 5 10 ( m 1) cioè: m n Log (2) è dunque sufficiente scegliere m n 1 INT Log (2) Esempio: ex + 3x = 0 F(x) = f(x) – g(x) 2 y f(x) g(x) 1.5 1 0.5 0 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 -0.5 x -1 Metodo della tangente o di Newton Il metodi di Newton può essere molto veloce se F’(x) assume valori assoluti molto grandi nell’intervallo [a;b]. Esso consiste nell’iterare le intersezioni con l’asse delle x della tangente al grafico di F(x) nel valore approssimato dello zero Nella diapositiva seguente viene precisata la procedura. Trovato un valore x0 da cui iniziare L’equazione della retta tangente in x0 a F(x) è: y = y0 + F’(x0)(x – x0) . L’intersezione della retta con l’asse delle x fornisce un nuovo valore approssimato dello zero: y0 x1 x0 F ' ( x0 ) L’iterazione fornisce quindi la seguente successione numerica definita per ricorrenza: x0 xn x x F ( xn ) n 1 n F ' ( xn ) che è convergente allo zero z : F(z) = 0 • Si dimostra che, alla n-esima iterazione, l’errore è minore di |xn+1 – xn| Esempio: ex + 3x = 0 il programma excel: Metodo del punto unito L’equazione F(x) = 0 può essere trasformata nel sistema equivalente: y F ( x) x x y che richiede le intersezioni del grafico della bisettrice y = x con il grafico della funzione G(x) = F(x) + x Partendo da un valore x0 Si ottiene la successione definita per ricorrenza: x0 xn xn1 F ( xn ) xn Se la funzione F(x) è derivabile ed esiste un valore m : 0 < m < 1 in modo tale da soddisfare |G’(x)| m x [a;b], allora la successione converge allo zero z : F(z) = 0 In questo caso non funziona In questo caso sì e no, dipende dal valore di r In questo caso sì e no, dipende dal valore di r